絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是由雙極結晶體管(BJT)和絕緣柵場效應晶體管(MOS)組成的復合全控制-電壓驅(qū)動-功率半導體元件，具有自截止特性。簡而言之，IGBT是一種不具備擴大電壓功能的非單體開關，導電時可以看作導線，分離時可以當作開放。IGBT結合了BJT和MOSFET兩種設備的優(yōu)點(例如，驅(qū)動功率小、飽和壓降低等)。

IGBT模塊是IGBT和FWD(重填二極管芯片)通過特定電路橋接封裝的模塊化半導體產(chǎn)品，具有節(jié)能、易于安裝和維修、熱穩(wěn)定性等特點。

IGBT是能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)年P鍵部件，是電力電子設備的“CPU”。利用IGBT進行電源轉(zhuǎn)換是提高電源效率和質(zhì)量、具備能源效率和環(huán)保功能、解決能源短缺問題和減少碳排放的關鍵支持技術。

IGBT是驅(qū)動GTR的構件，MOSFET是驅(qū)動構件的達林頓結構的綜合體。其外部分別有三個電極：G-門、C-集電極和E-發(fā)射極。

通過控制IGBT使用中集-四極電壓UCE和柵極-四極電壓UGE的大小，可以控制IGBT傳導/關閉/關閉狀態(tài)。

1) IGBT柵極-四極加0或負電壓，MOSFET內(nèi)的溝道消失，IGBT關閉。

2)集-四極電壓UCE & lt如果為0，則J3的PN接頭為反向偏轉(zhuǎn)，IGBT為反向阻塞狀態(tài)。

3)集-四極電壓uce大于0時，會出現(xiàn)兩種情況。

如果澆口-四極電壓UGE

如果澆口-四極電壓UGE>Uth，則會形成澆口溝，IGBT指示通過狀態(tài)(正常工作)。此時，空穴從P區(qū)注入N基底，進行電導調(diào)制，降低N基底的電阻RN值，降低IGBT通態(tài)壓降。

IGBT一代的技術差異

回顧過去幾十年來電力裝置的發(fā)展，20世紀50-60年代雙極型器件SCR、GTR、GTO在此期間的產(chǎn)品通態(tài)阻力很小。電流控制，控制電路復雜，功耗大。這是20世紀70年代的單極VD-MOSFET。但是，根據(jù)終端應用程序的要求，必須同時滿足新的電源設備。也就是說，驅(qū)動器電路簡單，可以降低成本和交換機功耗，一般壓降低，從而降低設備本身的功耗。20世紀80年代初，試圖整合MOS和BJT技術的研究導致了IGBT的發(fā)明。

1985年前后，美國GE成功試制出了工業(yè)樣品(可惜后來放棄了)。從那以后，IGBT主要經(jīng)歷了第六代技術和工藝改進。

從結構上看，IGBT有三個主要發(fā)展方向。

1)IGBT縱向結構：不透明集電區(qū)NPT型、帶緩沖層的PT型、透明集電區(qū)NPT型和FS電場截止

2)IGBT閘門結構：平面網(wǎng)格機構、Trench凹槽結構

3)硅加工工藝：外延生長技術、區(qū)熔硅單晶；

其發(fā)展趨勢如下：減少損失降低生產(chǎn)成本。

總功耗=正常損耗(與飽和電壓VCEsat相關)交換機損耗(Eoff Eon)。同一代技術中，狀態(tài)損失和開關損失兩者相互矛盾，互相收藏。

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IGBT模塊按封裝工藝來看主要可分為焊接式與壓接式兩類。高壓IGBT模塊一般以標準焊接式封裝為主，中低壓IGBT模塊則出現(xiàn)了很多新技術，如燒結取代焊接，壓力接觸取代引線鍵合的壓接式封裝工藝。

隨著IGBT芯片技術的不斷發(fā)展，芯片的最高工作結溫與功率密度不斷提高， IGBT模塊技術也要與之相適應。未來IGBT模塊技術將圍繞 芯片背面焊接固定 與 正面電極互連 兩方面改進。模塊技術發(fā)展趨勢：

• 無焊接、 無引線鍵合及無襯板/基板封裝技術；
• 內(nèi)部集成溫度傳感器、電流傳感器及驅(qū)動電路等功能元件，不斷提高IGBT模塊的功率密度、集成度及智能度。

IGBT的主要應用領域

作為新型功率半導體器件的主流器件，IGBT已廣泛應用于工業(yè)、 4C(通信、計算機、消費電子、汽車電子)、航空航天、國防軍工等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領域，以及軌道交通、新能源、智能電網(wǎng)、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領域。

1）新能源汽車

IGBT模塊在電動汽車中發(fā)揮著至關重要的作用，是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%，占充電樁成本約20%。IGBT主要應用于電動汽車領域中以下幾個方面：

A）電動控制系統(tǒng) 大功率直流/交流(DC/AC)逆變后驅(qū)動汽車電機；

B）車載空調(diào)控制系統(tǒng) 小功率直流/交流(DC/AC)逆變，使用電流較小的IGBT和FRD；

C）充電樁 智能充電樁中IGBT模塊被作為開關元件使用；

2）智能電網(wǎng)

IGBT廣泛應用于智能電網(wǎng)的發(fā)電端、輸電端、變電端及用電端：

• 從發(fā)電端來看，風力發(fā)電、光伏發(fā)電中的整流器和逆變器都需要使用IGBT模塊。

• 從輸電端來看，特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術需要大量使用IGBT等功率器件。

• 從變電端來看，IGBT是電力電子變壓器（PET）的關鍵器件。

• 從用電端來看，家用白電、 微波爐、 LED照明驅(qū)動等都對IGBT有大量的需求。

3）軌道交通

IGBT器件已成為軌道交通車輛牽引變流器和各種輔助變流器的主流電力電子器件。交流傳動技術是現(xiàn)代軌道交通的核心技術之一，在交流傳動系統(tǒng)中牽引變流器是關鍵部件，而IGBT又是牽引變流器最核心的器件之一。

IGBT國內(nèi)外市場規(guī)模

2015年國際IGBT市場規(guī)模約為48億美元，預計到2020年市場規(guī)?？梢赃_到80億美元，年復合增長率約10%。2014年國內(nèi)IGBT銷售額是88.7億元，約占全球市場的1∕3。預計2020年中國IGBT市場規(guī)模將超200億元，年復合增長率約為15%。

從公司來看，國外研發(fā)IGBT器件的公司主要有英飛凌、 ABB、三菱、西門康、東芝、富士等。中國功率半導體市場占世界市場的50%以上，但在中高端MOSFET及IGBT主流器件市場上，90％主要依賴進口，基本被國外歐美、日本企業(yè)壟斷。

國外企業(yè)如英飛凌、 ABB、三菱等廠商研發(fā)的IGBT器件產(chǎn)品規(guī)格涵蓋電壓600V-6500V，電流2A-3600A，已形成完善的IGBT產(chǎn)品系列。

英飛凌、 三菱、 ABB在1700V以上電壓等級的工業(yè)IGBT領域占絕對優(yōu)勢；在3300V以上電壓等級的高壓IGBT技術領域幾乎處于壟斷地位。在大功率溝槽技術方面，英飛凌與三菱公司處于國際領先水平。

西門康、仙童等在1700V及以下電壓等級的消費IGBT領域處于優(yōu)勢地位。

盡管我國擁有最大的功率半導體市場，但是目前國內(nèi)功率半導體產(chǎn)品的研發(fā)與國際大公司相比還存在很大差距，特別是IGBT等高端器件差距更加明顯。核心技術均掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中，IGBT技術集成度高的特點又導致了較高的市場集中度。跟國內(nèi)廠商相比，英飛凌、 三菱和富士電機等國際廠商占有絕對的市場優(yōu)勢。形成這種局面的原因主要是：

• 國際廠商起步早，研發(fā)投入大，形成了較高的專利壁壘。
• 國外高端制造業(yè)水平比國內(nèi)要高很多，一定程度上支撐了國際廠商的技術優(yōu)勢。

中國功率半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須改變目前技術處于劣勢的局面，特別是要在產(chǎn)業(yè)鏈上游層面取得突破，改變目前功率器件領域封裝強于芯片的現(xiàn)狀。

總的來說，在技術差距方面有：高鐵、智能電網(wǎng)、新能源與高壓變頻器等領域所采用的IGBT模塊規(guī)格在6500V以上，技術壁壘較強；IGBT芯片設計制造、模塊封裝、失效分析、測試等IGBT產(chǎn)業(yè)核心技術仍掌握在發(fā)達國家企業(yè)手中。

近幾年中國IGBT產(chǎn)業(yè)在國家政策推動及市場牽引下得到迅速發(fā)展，已形成了IDM模式和代工模式的IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈，IGBT國產(chǎn)化的進程加快，有望擺脫進口依賴。

受益于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)等各種利好措施，IGBT市場將引來爆發(fā)點。希望國產(chǎn)IGBT企業(yè)能從中崛起。